
4.核裂變與核聚變5.“基本”粒子
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.知道核裂變反應(yīng)及鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件。2.知道裂變反應(yīng)堆的工作原理,知道核電站的工作流程。3.了解聚變反應(yīng)及條件。會(huì)判斷和填寫(xiě)核聚變方程,并能計(jì)算聚變釋放的能量。4.初步了解粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)及粒子的分類(lèi)。
3.鏈?zhǔn)椒磻?yīng):當(dāng)一個(gè)中子引起一個(gè)重核裂變后,裂變釋放的中子再引起其他重核裂變,且能不斷繼續(xù)下去,這種由重核裂變產(chǎn)生的中子使_________反應(yīng)一代一代繼續(xù)下去的過(guò)程,叫作核裂變的_________。4.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件:發(fā)生裂變物質(zhì)的體積大于____________或裂變物質(zhì)的質(zhì)量大于____________。
1.核能釋放的控制:通過(guò)可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)實(shí)現(xiàn)核能釋放的裝置稱(chēng)為_(kāi)___________。2.慢化劑:反應(yīng)堆中,為了使裂變產(chǎn)生的快中子減速,在鈾棒周?chē)拧奥瘎保S玫穆瘎┯衉_______、________和__________ (也叫輕水)。
3.控制棒:為了控制反應(yīng)速度,還需要在鈾棒之間插進(jìn)一些鎘棒,它吸收________的能力很強(qiáng),反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí),可將其插入______一些,多吸收一些________,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些,這種鎘棒叫作__________。4.能量輸出:核燃料________釋放的能量使反應(yīng)區(qū)溫度升高,水或液態(tài)的金屬鈉等流體在反應(yīng)堆外____________,把反應(yīng)堆內(nèi)的________傳輸出去,用于________。說(shuō)明:核裂變是可以控制的,如核電站的建立和應(yīng)用。
4.優(yōu)點(diǎn):(1)輕核聚變______________。(2)地球上____________的儲(chǔ)量豐富。(3)輕核聚變更為_(kāi)_____________。5.約束方法有__________和慣性約束。
1.基本粒子不基本(1)直到19世紀(jì)末,人們都認(rèn)為_(kāi)_______、電子、________和中子是基本粒子。(2)隨著科學(xué)的發(fā)展,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子并不是由以上____________組成的,并發(fā)現(xiàn)______________等本身也有復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
2.發(fā)現(xiàn)新粒子(1)新粒子:1932年發(fā)現(xiàn)了_________,1937年發(fā)現(xiàn)了_______,1947年發(fā)現(xiàn)了__________和__________及以后的超子等。(2)粒子的分類(lèi):大體可分為_(kāi)_______、________、規(guī)范玻色子和希格斯玻色子幾種類(lèi)型。(3)夸克模型的提出:1964年美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型,認(rèn)為強(qiáng)子是由________構(gòu)成的。說(shuō)明:反粒子最顯著的特點(diǎn)是當(dāng)它們與相應(yīng)的正粒子相遇時(shí),會(huì)發(fā)生“湮滅”,即同時(shí)消失而轉(zhuǎn)化成其他的粒子。
『判一判』(1)只要鈾塊的體積大于臨界體積,就可以發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。( )(2)重核裂變釋放出大量能量,產(chǎn)生明顯的質(zhì)量虧損,所以核子數(shù)要減小。( )(3)核反應(yīng)堆是通過(guò)調(diào)節(jié)中子數(shù)目以控制反應(yīng)速度。( )
(4)核聚變平均每個(gè)核子放出的能量,比裂變反應(yīng)中平均每個(gè)核子放出的能量大。( )(5)實(shí)現(xiàn)核聚變的難點(diǎn)是地球上沒(méi)有任何容器能夠經(jīng)受如此高的溫度。( )(6)質(zhì)子、中子不能再分。( )(7)太陽(yáng)目前正處于氫通過(guò)熱核反應(yīng)成為氦,以電磁波的形式向外輻射核能。( )
『選一選』山東榮成石島灣核電站總裝機(jī)規(guī)模400萬(wàn)千瓦。核電站與火電站相比較,下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是( )A.核燃料釋放的能量遠(yuǎn)大于相等質(zhì)量的煤放出的能量B.就可采儲(chǔ)量來(lái)說(shuō),地球上核燃料資源遠(yuǎn)大于煤炭C.在經(jīng)濟(jì)效益方面核電與火電不相上下D.核反應(yīng)堆用過(guò)的核廢料具有很強(qiáng)的輻射性,要做特殊處理
解析:核燃料釋放的能量遠(yuǎn)大于相等質(zhì)量的煤放出的能量,A正確;就可采儲(chǔ)量所提供的能量來(lái)說(shuō),核燃料資源遠(yuǎn)大于煤炭所能提供的能量,而不是采儲(chǔ)量,B錯(cuò)誤;在經(jīng)濟(jì)效益方面核電與火電不相上下,C正確;核電站是有污染的,核反應(yīng)堆用過(guò)的核廢料具有很強(qiáng)的輻射性,要做特殊處理,D正確。
『想一想』萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)(如圖),太陽(yáng)在我們?nèi)粘I钪惺遣豢商娲?,它提供給地球足夠的能源,如果說(shuō)太陽(yáng)一旦沒(méi)有了,那么地球上的一切生物都將隨之消失。你知道太陽(yáng)的能量來(lái)源嗎?答案:來(lái)源于太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變反應(yīng)
1964年10月16日,中國(guó)第一顆原子彈在羅布泊的荒漠上爆炸成功,其爆炸力相當(dāng)于1.8萬(wàn)噸TNT炸藥。爆炸時(shí)安放原子彈的鋼塔全部熔化,在半徑400 m的范圍內(nèi),沙石都被燒成黃綠色的玻璃狀物質(zhì),半徑1 600 m范圍內(nèi)所有動(dòng)植物全部死亡
(1)巨大的核能是從哪里來(lái)的?(2)在利用重核裂變制成的原子彈中,需不需要用鎘制成的控制棒?提示:(1)鈾核的裂變(2)不需要
1.鈾核的裂變(1)核子受激發(fā):當(dāng)中子進(jìn)入鈾235后,便形成了處于激發(fā)狀態(tài)的復(fù)核,復(fù)核中由于核子的激烈運(yùn)動(dòng),使核變成不規(guī)則的形式。(2)核子分裂:核子間的距離增大,因而核力迅速減弱,使得原子核由于質(zhì)子間的斥力作用而分裂成幾塊,同時(shí)放出2~3個(gè)中子,這些中子又引起其他鈾核裂變,這樣,裂變就會(huì)不斷進(jìn)行下去,釋放出越來(lái)越多的核能。
2.鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的條件(1)要有足夠濃度的235U(2)要有足夠數(shù)量的慢中子(3)鈾塊的體積要大于臨界體積3.裂變反應(yīng)的能量鈾核裂變?yōu)橹械荣|(zhì)量的原子核,發(fā)生質(zhì)量虧損,所以放出能量。一個(gè)鈾235核裂變時(shí)釋放的能量如果按200 MeV估算,1 kg鈾235全部裂變放出的能量相當(dāng)于2 800 t標(biāo)準(zhǔn)煤完全燃燒時(shí)釋放的能量,裂變時(shí)能產(chǎn)生幾百萬(wàn)度的高溫。
關(guān)于重核裂變,下列說(shuō)法正確的是( )A.重核裂變成中等核要吸收能量B.中子進(jìn)入鈾塊中時(shí),一定能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)C.重核裂變過(guò)程中質(zhì)量數(shù)減少D.較重的核分裂成中等大小的核,核子的平均結(jié)合能會(huì)增加,可以釋放出核能
解析:中等大小的原子核的平均結(jié)合能最大,這些核最穩(wěn)定。如果使較重的核分裂成中等大小的核,核子的平均結(jié)合能會(huì)增加,可以釋放出能量。由此知A錯(cuò)誤,D正確;當(dāng)一個(gè)中子引起一個(gè)鈾核的裂變后,放出中子,放出的中子如果能引起其他鈾核裂變,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)才能進(jìn)行,B錯(cuò)誤;核反應(yīng)滿(mǎn)足電荷數(shù)守恒和質(zhì)量數(shù)守恒,C錯(cuò)誤。
1.(2021·天津一中高二下學(xué)期月考)在海軍建軍70周年閱兵式上,中國(guó)海軍新型攻擊核潛艇093改進(jìn)型攻擊核潛艇公開(kāi)亮相。核潛艇是以核反應(yīng)堆作動(dòng)力源。
解析:β衰變是原子核的衰變,與核外電子無(wú)關(guān),故A錯(cuò)誤;質(zhì)量數(shù)較小的核轉(zhuǎn)化為質(zhì)量較大的核,屬于輕核聚變,故B錯(cuò)誤;質(zhì)量數(shù)較大的核裂變?yōu)橘|(zhì)量中等的核,屬于重核裂變,是原子彈裂變反應(yīng)原理,故C正確;核反應(yīng)前后核子數(shù)相等,核反應(yīng)遵循質(zhì)量數(shù)守恒而不是質(zhì)量守恒,故D錯(cuò)誤。
如圖所示為核電站工作流程示意圖(1)核電站的核心設(shè)施是什么?(2)核電站是如何實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移的?
提示:(1)核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆。(2)通過(guò)熱交換器將核反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量輸送出來(lái),推動(dòng)汽輪機(jī)工作。
1.核電站的主要組成核電站的核心設(shè)施是核反應(yīng)堆 ,反應(yīng)堆用的核燃料是鈾235,它的主要部件列表如下:
2.反應(yīng)堆工作原理(1)熱源:在核電站中,核反應(yīng)堆是熱源,如圖為簡(jiǎn)化的核反應(yīng)堆示意圖:鈾棒是燃料,由天然鈾或濃縮鈾(鈾235的含量占2%~4%)制成,石墨、重水或普通水為慢化劑,使反應(yīng)生成的快中子變?yōu)槁凶?,便于?35的吸收,發(fā)生裂變,慢化劑附在鈾棒周?chē)?br/>(2)控制棒:鎘棒的作用是吸收中子,控制反應(yīng)速度,所以也叫控制棒。控制棒插入深一些,吸收中子多,反應(yīng)速度變慢,插入淺一些,吸收中子少,反應(yīng)速度加快,采用電子儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)控制棒插入深度,就能控制核反應(yīng)的劇烈程度。(3)冷卻劑:核反應(yīng)釋放的能量大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,這時(shí)通過(guò)水、液態(tài)鈉等作冷卻劑,在反應(yīng)堆內(nèi)外循環(huán)流動(dòng),把內(nèi)能傳輸出去,用于推動(dòng)蒸汽機(jī),使發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)生裂變反應(yīng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生一些有危險(xiǎn)的放射性物質(zhì),很厚的水泥防護(hù)層可以防止射線輻射到外面。
3.核電站發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)(1)消耗的核燃料少。(2)作為核燃料的鈾、釷等在地球上可采儲(chǔ)量大。(3)對(duì)環(huán)境的污染要比火力發(fā)電小。
C.控制棒由鎘做成,當(dāng)反應(yīng)過(guò)于激烈時(shí),使控制棒插入深一些,讓它多吸收一些中子,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)慢一些D.若要使裂變反應(yīng)更激烈一些,應(yīng)使控制棒插入深一些,使大量快中子碰撞控制棒后變成慢中子,鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的速度就會(huì)快一些答案: BC
解題指導(dǎo):深入理解核反應(yīng)堆的工作原理,是處理該類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵。解析:根據(jù)鈾235的特點(diǎn),它更容易吸收慢中子而發(fā)生裂變,A錯(cuò)誤;在反應(yīng)堆中減速劑的作用就是減少快中子能量從而更易讓鈾235吸收裂變,B正確;鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的劇烈程度取決于裂變釋放出的中子總數(shù),鎘控制棒可以吸收中子,因而可以控制核反應(yīng)的快慢,即插入的深,吸收的多,反應(yīng)將變慢,反之將加快,C正確,D錯(cuò)誤。
2.原子反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)可控制的重核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置,它主要由四部分組成,它們是( )A.原子燃料、慢化劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)B.原子燃料、慢化劑、發(fā)熱系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)C.原子燃料、慢化劑、碰撞系統(tǒng)和傳熱系統(tǒng)D.原子燃料、中子源、原子能存聚系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)解析:原子反應(yīng)堆是實(shí)現(xiàn)可控制的重核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的一種裝置,它主要由原子燃料、慢化劑、冷卻系統(tǒng)和控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)四部分組成,故A正確。
如圖為氫彈原理示意圖。(1)核聚變需要滿(mǎn)足什么條件?(2)為什么要用原子彈才能引爆氫彈?提示:(1)要使輕核聚變,必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10-15 m。(2)它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。
1.輕核聚變是放能反應(yīng)從比結(jié)合能的圖線看,輕核聚變后比結(jié)合能增加,因此聚變反應(yīng)是一個(gè)放能反應(yīng)。2.聚變發(fā)生的條件要使輕核聚變,就必須使輕核接近核力發(fā)生作用的距離10-15 m,但是原子核是帶正電的,要使它們接近10-15 m就必須克服很大的庫(kù)侖斥力作用,這就要求原子核應(yīng)具有足夠的動(dòng)能。方法是給原子核加熱,使其達(dá)到幾百萬(wàn)度的高溫。
3.核聚變的特點(diǎn)(1)在消耗相同質(zhì)量的核燃料時(shí),輕核聚變比重核裂變釋放更多的能量。(2)熱核反應(yīng)一旦發(fā)生,就不再需要外界給它能量,靠自身產(chǎn)生的熱就可以使反應(yīng)進(jìn)行下去。(3)普遍性:熱核反應(yīng)在宇宙中時(shí)時(shí)刻刻地進(jìn)行著,太陽(yáng)就是一個(gè)巨大的熱核反應(yīng)堆。
4.核聚變的應(yīng)用(1)核武器——?dú)鋸棧阂环N不需要人工控制的輕核聚變反應(yīng)裝置。它利用彈體內(nèi)的原子彈爆炸產(chǎn)生的高溫高壓引發(fā)熱核聚變爆炸。(2)可控?zé)岷朔磻?yīng):目前處于探索階段。
太陽(yáng)現(xiàn)在正處于主序星演化階段,它主要是由電子和質(zhì)子、氦核等組成,維持太陽(yáng)輻射的是它內(nèi)部的核聚變反應(yīng),核反應(yīng)為兩個(gè)電子與四個(gè)質(zhì)子聚變?yōu)楹?。已知太?yáng)的質(zhì)量為2×1030 kg,太陽(yáng)向周?chē)臻g輻射能量的總功率為3.8×1026 W。(1)寫(xiě)出上述聚變反應(yīng)的方程;(2)已知質(zhì)子質(zhì)量mp=1.67×10-27 kg,氦核質(zhì)量mα=6.645 8×10-27 kg,電子質(zhì)量me=9.0×10-31 kg,光速c=3.0×108 m/s,求每發(fā)生一次上述核反應(yīng)所釋放的能量;
(3)根據(jù)題目中數(shù)據(jù)計(jì)算太陽(yáng)1秒鐘減少的質(zhì)量。太陽(yáng)還能用多少年?解題指導(dǎo):(1)聚變的核反應(yīng)方程遵循質(zhì)量數(shù)守恒和電荷數(shù)守恒。(2)核能計(jì)算的關(guān)鍵是求出核反應(yīng)中的質(zhì)量虧損,然后根據(jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程求解。(3)由m=tΔm求時(shí)間。
解析:方程(1)屬于重核裂變,方程(2)屬于輕核聚變,選項(xiàng)A錯(cuò)誤而B(niǎo)正確;由質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒得,k=10,d=1,選項(xiàng)C正確而D錯(cuò)誤。
如圖所示為粒子發(fā)展示意圖。(1)為什么現(xiàn)在將“基本”二字去掉,統(tǒng)稱(chēng)為粒子?(2)為什么說(shuō)夸克模型是物理學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重大突破?
提示:(1)隨著科學(xué)的發(fā)展,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多的新粒子都不是由質(zhì)子、中子、電子組成的,又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。所以現(xiàn)在將“基本”二字去掉,統(tǒng)稱(chēng)為粒子。(2)夸克模型的提出是物理學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重大突破,它指出電子電荷不再是電荷的最小單元,即存在分?jǐn)?shù)電荷。
1.新粒子的發(fā)現(xiàn)及特點(diǎn)
2.夸克模型(1)夸克的提出:1964年美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出了強(qiáng)子的夸克模型,認(rèn)為強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。(2)夸克的種類(lèi):上夸克(u)、下夸克(d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克(t)。
在β衰變中常伴有一種稱(chēng)為“中微子”的粒子放出。中微子的性質(zhì)十分特別,因此在實(shí)驗(yàn)中很難探測(cè)。1953年,萊尼斯和柯文建造了一個(gè)由大水槽和探測(cè)器組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),利用中微子與水中H的核反應(yīng),間接地證實(shí)了中微子的存在。
此過(guò)程遵循動(dòng)量守恒定律
解題指導(dǎo):(1)由核反應(yīng)過(guò)程質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)守恒判斷。(2)根據(jù)E=Δmc2和動(dòng)量守恒求解。
解析:根據(jù)題目所給圖表可以知道各種粒子的帶電量,由電荷守恒定律可得A、D正確,B、C錯(cuò)誤。
輕核聚變與重核裂變的區(qū)別
解析:A.是聚變反應(yīng),反應(yīng)劇烈,至今可控聚變反應(yīng)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段,所以不宜采用,故A錯(cuò)誤;B.是重核裂變反應(yīng),雖然實(shí)現(xiàn)了人工控制,但因反應(yīng)劇烈,防護(hù)要求高,還不能小型化,目前只是一些大型的核電站采用,故B錯(cuò)誤;C.是人工放射性同位素的衰變反應(yīng),是小型核能電池主要采用的反應(yīng)方式,故C正確;D.是人工核反應(yīng),需要高能α粒子,在月球上不宜實(shí)現(xiàn),故D錯(cuò)誤。
關(guān)于此核聚變,以下說(shuō)法正確的是( )A.要使輕核發(fā)生聚變,就要利用粒子加速器,使輕核擁有很大的動(dòng)能B.Z=0,M=1C.1 mL氘核和1 mL氚核發(fā)生核聚變,可以放出17.6 MeV的能量D.聚變比裂變更安全、清潔
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